En la present tesi s'han realitzat estudis estructurals de DNA. L'obectiu era l'estudi detallat de les interaccions del DNA amb fàrmacs intercalants i amb metalls de transició. Tant els fàrmacs intercalants com els metalls de transició poden afectar a les propietats i a l'estructura del DNA. Això es pot utilitzar en àmbits mèdics com per exemple en la millora de les propietats dels fàrmacs anticancerígens, antibiòtics, etc. Referent als metalls de transició es coneixen interaccions específiques d'aquests amb el DNA que també poden ser molt útils en dissenyar noves estructures de DNA (1).Els estudis s'han realitzat emprant sobretot la cristal·lografia de raigs X, tècnica que permet realitzar un estudi estructural molt detallat. Per tal de complementar els estudis cristal·logràfics, s'han utilitzat també altres tècniques com són el footprinting, fluorescència o mesures de viscositat. Aquestes donen informació sobre els fàrmacs que es volen utilitzar.S'han estudiat sistemes aromàtics derivats de l'acridina i de l'antraquinona que tenen units diferents substituents, principalment aminoàcids. S'ha comprovat, però, que en general aquests fàrmacs no són específics per a una determinada seqüència. Els estudis de cristal·lització han demostrat aquesta inespecificitat dels fàrmacs. S'han fet assajos amb dotze oligonucleòtids diferents. Aquests contenen passos CG (pas típic on s'intercalen els fàrmacs en estructures ja descrites) i passos AA/TT. Es coneix només una estructura on el fàrmac es troba intercalat en un pas com aquest (2), i s'ha intentat induir un altre cop aquesta intercalació amb altres oligonucleòtids.S'han fet molts assajos de cristal·lització per obtenir complexos DNA-fàrmac i s'han resolt, finalment, cinc estructures amb quatre oligonucleòtids diferents. D'aquestes cinc estructures només dues han presentat fàrmac intercalat. El decàmer d(CGCAATTGCG) s'ha cristal·litzat en el grup espacial I212121 formant una estructura isomòrfica a la mateixa seqüència descrita per Spink (3). Aquest decàmer s'ha descrit en un total de cinc estructures diferents i en quatre grups espacials. Això ha permès realitzar un estudi comparatiu de totes elles, analitzant d'una banda les diferències i de l'altra els efectes de les diferents condicions de cristal·lització emprades.S'ha resolt també la primera estructura de B-DNA, la seqüència d(GAATTCG), amb una simetria cúbica. És el primer cop que es cristal·litza aquesta seqüència i el grup espacial és I23. El tret més important de l'estructura són les grans cavitats de dissolvent que presenta, només el 24% del cristall està ocupat per àtoms de DNA. L'estructura s'ha resolt pel mètode de MAD utilitzant l'ió Ni2+ com a àtom pesat.La primera estructura del decàmer d(CAATTAATTG) s'ha descrit a una resolució de 2.8 Å. Aquesta ha cristal·litzat en el grup espacial P3221 i és isomòrfica a un grup d'estructures de seqüències diferents (4). El fet de contenir un 80% de bases A i T ha suggerit fer un estudi conformacional del decàmer.Totes les estructures s'han cristal·litzat en presència dels ions Ni2+ o Co2+, els quals formen gairebé sempre interaccions específiques amb els N7 de les guanines. Aquests ions tenen en general un paper molt important a l'hora d'estabilitzar el cristall ja que sovint ajuden a unir dues columnes de dúplexs a través de guanines terminals que es desaparellen. També s'han detectat altres ions com el Ba2+ o el Na+. / In the present thesis we have carried out structural studies on DNA. The main purpose was the determination in a detailed way of the interactions between DNA and intercalating drugs as well as with transition metals.Both, intercalating drugs and transition metals, can influence the properties and structure of DNA. This characteristic can be used in order to improve the therapeutic applications of the drugs. On the other hand, specific interactions between DNA and transition metals are known, and they can be used to design new structures of DNA (1).The main technique used has been X-ray crystallography, which allows studying structures in great detail, but also other techniques have been used as for example footprinting, fluorescence or viscosity assays. These techniques can give information about the drugs, they can predict whether a drug is going to intercalate in the DNA and also if they are specific for a particular sequence.The drugs used are aromatic systems, anthraquinone and acridine derivatives with different substituents covalently linked, most of them amino acids. Our studies confirm that in general, the drugs used have no sequence specificity.Crystallographic studies also show that drugs are not specific because in most of the structures solved, the drug could not be detected. Twelve different oligonucleotides, between six and twelve base pairs, have been tested. Those contain CG steps (typical intercalating step) and AA/TT steps. There is only one structure known in the literature where a drug intercalates in an AA/TT step (2) and we have been trying to induce this intercalation again with different oligonucleotides.Many crystallisation assays have been done in order to obtain DNA-drug complexes and finally, five different structures with four different olignucleotides have been solved. Only two of these structures contain the intercalated drug, this is the sequence d(CGTACG) that has been crystallized with two different drugs, an acridine and an anthraquinone derivative.The decamer d(CGCAATTGCG) has been crystallised in the space group I212121, showing an isomorphic structure of the same sequence previously described by Spink (3). This decamer has been crystallised as five different structures in four different space groups. All these structures allowed a comparative study between all of them, analysing the differences and the effect of the crystallisation conditions.The first structure of a B-DNA with a cubic symmetry has also been solved with the sequence d(GAATTCG). It is the first time this sequence has been crystallised and the most important feature of this structure are the great cavities of solvent contained in each cell, only 24% of the crystal is occupied by DNA atoms.Also the first structure of the decamer d(CAATTAATTG) has been solved in the space group P3221. The fact that contains a large quantity of A and T bases (80%) suggested analysing in detail the conformation of the decamer. There is a group of isomorphic structures with different sequences already described in the literature (4). All five structures have been crystallised in the presence of Co2+ or Ni2+ ions. Both ions normally form specific interactions with the N7 atoms of guanines and they have a very imortant role in the stabilisation of the crystals. Other ions such Ba2+ and Na+ have also been detected in the structures.

Birds have been widely used as bioindicators. In this study we face the use of birds as bioindicators of metal pollution in two different scenarios of contamination: one that takes place in an aquatic environment, the Ebro river basin, and a second that occurs in a terrestrial environment, the Bolivian Andes. In the case of the Ebro river basin, the pollution threat is a factory located at the river bend, close to Flix, that due to its long operational activity and along with the construction of a dam next to the plant around 1960, resulted in the accumulation of 200,000–360,000 tons of industrial wastes in the riverbed, occupying an area of 700 m of length and 60 m of width. In this study case we evaluated whether aquatic birds such as the Purple Heron reflect the potential pollutant exposure from Flix Reservoir among different riverine and deltaic areas, and assess their usefulness as bioindicators. Also we examined if the polluted wastes of Flix reservoir affect the levels of pollution of the habitats where waterbird populations of the Ebro Delta (situated 90 km downstream) forage and feed. As results stable isotopes shown the high nitrification and lower carbon signatures in the river, and together with the niche width metrics, that Common and Sandwich Tern behave as strict specialists at the Ebro Delta, with narrow niche widths, while in the opposite way, Little Tern, Little Egret, Purple Heron, Night Heron and the Moorhen behave like generalists foragers, with broad niche widths. Mercury levels in nestlings of Purple Heron at Flix site and eggs of Audouin’s Gull, Little Tern and Common Tern ‘Banya’ at the Ebro Delta are high enough to be of special concern. Arsenic (specially used in combination with carbon signatures) discriminates outstandingly between marine and freshwater species. Both eggs and nestling feathers of Purple Herons are adequate bioindicators for trace element pollution, but nestling feathers present certain advantages. The six selected blood parameters (TOSC ROO*, TOSC OH*, BhCE, CbE, LDH and MN) provide the first evidence of an association of biological responses with pollutants in heron species. The second study case takes place in Bolivia. Anthropogenic mining has taken place in the Bolivian Andes since at least the fifteenth century. Particularly the East of Oruro Department in the Eastern Andean Cordillera is affected by a long term history of mining. These mining activities were characterized by the deposition of large tailing piles, which accumulated in abandoned and active mines, where trace metals such as lead, arsenic, cadmium, and antimony could reach surface waters and soils, and so the biota. In this case we evaluated the potential of Tinamou species as sentinels of exposure to local trace metal pollution and studied different routes of lead accumulation into the sentinel species, in order to assess the usefulness of feather levels as a measure of the exposure to this pollutant. As results we found that the detected small home ranges detected in Ornate Tinamou (lower than 1 km2) and their sedentary habits make of this species an adequate bioindicator of local pollution. We recommend feathers for future monitoring programs as they are a non invasive sample. Higher rates of histopathological damage were found in kidney at the polluted sites. We detected high levels of trace elements detected at the polluted sites in the two studied species of Tinamou (Ornate and Darwin Tinamou), many of them trespassing hazard levels. The calamus is the most suitable section for assessing the original endogenous lead levels in feather samples. / En este estudio las aves serán utilizadas como bioindicadoras de contaminación por metales pesados en dos escenarios diferentes: el primero en un ambiente acuático, la cuenca del rio Ebro, mientras que el segundo tiene lugar en un ambiente terrestre, los Andes bolivianos. En el primer caso la fuente de contaminación es una fábrica localizada cerca de Flix, que produjo cientos de toneladas de lodos tóxicos. Así evaluamos si aves acuáticas como la Garza imperial reflejan la exposición potencial a los contaminantes de Flix entre zonas fluviales y deltaicas, comprobando su utilidad como bioindicadoras, y también examinamos si dichos residuos afectan a la contaminación de los hábitats donde la avifauna del Delta del Ebro se alimenta. Como resultados los isótopos estables mostraron la alta nitrificación y signaturas más bajas de carbono en el río y observamos que el Charrán común y patinegro actúan como especialistas en el Delta, mientras que Charrancito, Garceta común, Garza Imperial, Martinete y Gallineta de agua son generalistas, presentando amplios nichos tróficos. El mercurio en volantones de Garza Imperial en Flix y huevos de Gaviota de Audouin, Charrancito y Charrán común “Banya” en el Delta presentan valores alarmantes. El arsénico discrimina claramente entre especies marinas y dulceacuícolas. Ambos huevos y plumas son bioindicadores adecuados de contaminación, pero las plumas presentan más ventajas. El segundo estudio tiene lugar en los Andes Bolivianos, donde la actividad minera ha dado lugar a la acumulación de residuos. Evaluamos el potencial de las especies de Tinamúes como bioindicadoras de la exposición a dicha contaminación, incluyendo las diferentes vías de acumulación de plomo en las especies bioindicadoras. Como resultados, los pequeños territorios detectados y hábitos sedentarios hacen del Tinamú Pisacca un bioindicador adecuado de la contaminación local. Se recomienda el uso de plumas al son una muestra no invasiva. El mayor daño histopatológico se encontraron en muestras de riñón de las zonas contaminadas. La contaminación minera ha quedado de manifiesto con los altos niveles detectados en las dos especies estudiadas de Tinamú. El cálamo es la sección más adecuada para la evaluación de los niveles originales endógenos de plomo.

Derivat de 3 capítols de la tesi s'han publicat dos articles en revistes científiques i un capítol de llibre: Chapter 3, pg. 61 : Corcoll et al. 2012-HdB Environ Chem-book chapter 4 Chapter 4, pg. 81: Corcoll et al. 2011- Chl-a fluorescence parameters as biomarkers of metal toxicity in fluvial biofilms Chapter 5, pg. 117: Corcoll et al. 2012- The effect of metals on photosynthesis processes and diatom metrics on biofilm from a metal-contaminated river / Metal pollution in rivers is in great concern with human activities in the fluvial watershed. This thesis aims to investigate the potential use of chl-a fluorescence parameters as biomarkers of metal toxicity, and to find cause-effect relationships between metal exposures, other environmental factor (i.e. light), and functional and structural biofilm responses. This thesis demonstrates that the use of chl-a fluorescence parameters allows detect early effects on biofilms caused by zinc toxicity, both in the laboratory as in polluted rivers. In microcosm experiments, the use of chl-a fluorescence parameters allows evaluates structural changes on photosynthetic apparatus and in algal groups’ composition of biofilms long-term exposed to zinc. In order to evaluate the effects of chronic metal pollution in rivers, it is recommended the use of biofilm translocation experiments and the use of a multi-biomarker approach. / La contaminació per metalls en els rius està principalment lligada a l’activitat humana que té lloc a la conca fluvial. Aquesta tesi té per objectiu principal avaluar l'ús potencial dels paràmetres de fluorescència de la chl-a com a biomarcadors de toxicitat per metalls, i trobar relacions causa-efecte entre l’exposició dels metalls, altres factors ambientals (ex. la llum), i les respostes funcionals i estructurals del biofilms. Aquesta tesi demostra que els paràmetres de fluorescència de la chl-a permeten detectar alteracions ràpides del biofilm causades per la toxicitat del zinc, tan al laboratori com en rius contaminats. En microcosmos, els paràmetres de fluorescència de la chl-a permeten avaluar canvis estructurals en l’aparell fotosintètic i en la composició dels grups algals dels biofilms exposats crònicament al zinc. Per avaluar els efectes de la contaminació crònica per metalls en rius es recomana fer experiments de translocació de biofilms i utilitzar una aproximació de multi-biomarcador.

Aquesta Tesi Doctoral es centra en la recuperació de metalls precisos presents en dissolucions d'àcid clorhñidric, per mitjà de tècnqiues tant emergents com ben establertes basades en els principis de la tecnologia d'extracció líquid-líquid. La importància d'aquesta temàtica radica en el gran valor i l'escassetat d'aquests metalls. Les principals conclusions extretes d'aquest treball són:- L'extracció liquid-liquid permet una ràpida extracció i stripping de Pd(II) quan s'empra l'extractant DEHTPA dissolt en querosè. El Pd(II) es pot extreure selectivament en presènica d'altres metalls com ara Cu(II), Fe(III), Pt(IV), Rh(III) i Zn(II). - DEHTPA i Alamine 336 són extractants que han estat emprats en la preparació de resines impregnades que permeten extreure selectivament el Pd(II) així com la co-extracció de Pd(II) i Pt(IV) en presència de Rh(III). Les resines impregnates presenten les avantatges de la tecnologia de bescanvi iònic i mantenen la selectivitat dels extractants. Tot i això, s'ha vist que els processos tant d'extracció com d'stripping presenten cinètiques més lentes en relació amb d'altres tecnologies.. Les resines impregnades també s'han combinat amb la tecnologia de llit fluiditzat permetent el treball en continu.- Les membranes líquides suportades (MLS) presenten l'atractiu que combinen els processos d'ectracció i stripping en una sola fase. El sistema SLM/DEHTPA permet el transport selectiu de Pd(II), que es troba controlat per fenòmens de difusió. La presència d'impureses en la solució d'alimentació és important donat que pot provocar fenòmens d'obturació en la membrana. - L'extracció selectiva cloud point (CP) d'Au(III) emprant el surfactant PONPE7.5 s'ha aconseguit a temperatura ambient de forma similar a l'extracció líquid-líquid amb l'avantatge que no es requereix la utilització de dissolvents orgànics. L'aplicació d'aquesta tècnica es va aplicar amjb èxit a la recuperació d'Au provinent de circuits impresos, si bé cal esmentar que en l'etapa d'stripping va ésser necessària la utilització de cloroform. / This thesis is focused on the recovery of precious metals from hydrochloric acid solutions through emergent or well established metal recovery techniques based or on the principles of solvent extraction technology. This subject is of a great importance due to the high value and scarcity of precious metals, consequently the need of developing and consolidating new separation and concentration processes is imperative. The main conclusions derived from this work are:- Liquid-liquid extraction allow fast Pd(II) extraction and stripping when the extractant DEHTPA dissolved in kerosene is used as organic phase. Pd(II) can be selectively extracted by DEHTPA over Cu(II), Fe(III), Pt(IV), Rh(III) and Zn(II). - DEHTPA and Alamine 336 are appropiate extractants for preparation of impregnated resins suitable for selective extraction of Pd(II) over metal impurities and co-extraction of Pd(II) and Pt(IV) against Rh(III). Impregnated resins maintain the advantages of ion-exchange technology, and also keep the selective characteristics of the extractants. However, the extraction and stripping kinetics of impregnated resins are slow compared to solvent extraction. Impregnated resins have also benn combined with fluidized bed technology allowing continuous operation.- Supported liquid membranes (SLM) are very attractive since they combine the processes of extraction and stripping in a single stage. SLM/DEHTPA system permits selective Pd(II) transport on a diffusion controlled process. The presence of impurities inn the feed solution may cause blockage of the membrane.- Selective cloud point (CP) extraction of Au(III) using the surfactant PONPE7.5 is achieved at ambient temperature in a similar manner as in solvent extraction not requiring the use of organic solvents. The application of CP extraction is demonstrated for the recovery of Au from a printed substrate, although the usage of an organic solvent, chloroform, is necessary in the stripping step.

L’objectiu general d’aquesta tesi ha estat avaluar l’aplicabilitat de bioassajos específics i un bioassaig estandarditzat genèric en mostres de diferents matrius ambientals. D’aquesta manera es pretén complementar la informació obtinguda de les anàlisis químiques per tal de poder establir un millor diagnòstic ambiental. S’han analitzat diferents metalls i compostos orgànics en mostres dels diferents compartiments ambientals. Per avaluar l’ecotoxicitat de mostres d’aigua dolça, s’ha triat l’alga Pseudokirschneriella subcapitata, mentre que per mostres de sòl i residus orgànics, s’han escollit plantes d’interès agrícola com són Allium cepa, Raphanus sativus i Lolium perenne. Per últim, s’han realitzat tests in vitro de toxicitat humana per avaluar la toxicitat de les partícules PM10 de l’aire amb cultius de cèl•lules pulmonars (línia A549). En tots els casos, s’ha realitzat també un assaig ecotoxicològic amb el bacteri luminescent Vibrio fischeri, per avaluar la seva idoneïtat en les diferents matrius ambientals. Els resultats, han demostrat que l’aplicació de bioassajos específics en diferents matrius ambientals pot suposar una bona eina d’“screening” per completar la informació obtinguda de les anàlisis químiques que, realitzades de forma individual, poden estimar erròniament la toxicitat real de les mostres ambientals. S’ha observat que el bioassaig amb Vibrio fischeri ha mostrat bona complementarietat amb d’altres assajos més específics de cada matriu, a més de resultar molt sensible a la presència de contaminants en aigües i sediments fluvials, fangs de depuradora i partícules d’aire PM10. / El objetivo general de esta tesis ha sido evaluar la aplicación de bioensayos específicos y un bioensayo estandardizado genérico en distintas matrices ambientales. De este modo se pretende complementar la información obtenida con los análisis químicos para poder establecer un mejor diagnóstico ambiental. Se han analizado metales y compuestos orgánicos en muestras de distintos compartimentos ambientales. Para evaluar la ecotoxicidad de muestras de agua dulce se ha escogido el alga Pseudokirschneriella subcapitata, mientras que para muestras de suelos y residuos orgánicos se han escogido plantas de interés agrícola como son Allium cepa, Raphanus sativus y Lolium perenne. Por último, se han realizado tests in Vitro de toxicidad humana para evaluar la toxicidad de las partículas PM10 del aire, con cultivos de células pulmonares (línea A549). En todos los casos se ha realizado un ensayo ecotoxicológico con la bacteria luminescente Vibrio fischeri, para evaluar su idoneidad en las distintas matrices ambientales. Los resultados han demostrado que el uso de bioensayos específicos en distintas matrices ambientales puede suponer una buena herramienta de ‘’screening’’ para completar la información obtenida de los análisis químicos, que realizados de forma individual, pueden estimar erróneamente la toxicidad real de las muestras ambientales. Además, se ha observado que el bioensayo con Vibrio fischeri presenta buena complementariedad con otros ensayos más específicos de cada matriz ambiental, además de ser muy sensible a la presencia de contaminantes en aguas y sedimentos fluviales, lodos de depuradora y PM10 del aire.

Aquest treball teòric estudia l'acoblament magnètic en complexos bi- i trinuclears heterometàl·lics amb lligands pont oxamido, oxamato, ditiooxalato i anàlegs. Per calcular la seva estructura electrònica s'han usat mètodes multireferencials, en particular diferents variants del mètode DDCI, desenvolupat en el grup, i el mètode CASPT2. Per diferents sistemes binuclears coneguts de Cu(II) i Mn(II), l'acoblament magnètic i els mapes de densitat de spin calculats reprodueixen acuradament les dades experimentals. L'acoblament antiferromagnètic en aquests depèn de la transferència de càrrega del lligand al metall, lligada a l'electronegativitat dels àtoms coordinats. En els sistemes hipotètics de tipus Cu(II)-M(II)-Cu(II), on M=Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu i Zn, la magnitud de l'acoblament estimada depèn de l'electronegativitat del metall central, anant de feblement ferromagnètic pel Sc a moderadament antiferromagnètic pel Cu. Aquest treball aporta la interpretació microscòpica de l'acoblament en aquests sistemes, així com la validació i/o les limitacions dels mètodes de càlcul emprats. / This theoretical work examines the magnetic coupling in bi- and trinuclear heterometallic transition metal complexes with bridging ligands such as oxamido, oxamato, ditiooxalato and analogues. To calculate their electronic structure multireference methods have been used, including different variants of DDCI method, developed in our group, and CASPT2 method. For different Cu(II)-Mn(II) binuclear known systems, the magnetic couplings and spin density maps calculated accurately reproduce the experimental data. The antiferromagnetic coupling in these compounds depends on the charge transfer from ligand to metal, linked to the electronegativity of coordinated atoms. In the hypothetical systems of type Cu(II)-M(II)-Cu(II), where M = Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Zn, the magnitude of the estimated coupling depends on the electronegativity of the metal core, going from the weakly ferromagnetic for Sc to moderately antiferromagnetic for Cu. This work provides the microscopic interpretation of the coupling in these systems, as well as the validation and/or limitations of the computational methods used.

En aquest estudi, la toxicitat de diversos metalls pesants i l'arsènic va ser analitzada utilitzant diferents models biològics.En la primera part d'aquest treball, el bioassaig de toxicitat Microtox, el qual està basat en la variació de l'emissió lumínica del bacteri luminiscent Vibrio fischeri, va ser utilitzat per establir les corbes dosi-resposta de diferents elements tòxics com el Zn(II), Pb(II), Cu(II), Hg(II), Ag(I), Co(II), Cd(II), Cr(VI), As(V) i As(III) en solucions aquoses. Els experiments es varen portar a terme a pH 6.0 i 7.0 per tal de mostrar que el pH pot influir en la toxicitat final mesurada d'alguns metalls degut als canvis relacionats amb la seva especiació química. Es varen trobar diferents tipus de corbes dosi-resposta depenent del metall analitzat i el pH del medi. En el cas de l'arsènic, l'efecte del pH en la toxicitat de l'arsenat i l'arsenit es va investigar utilitzant l'assaig Microtox en un rang de pHs comprès entre pH 5.0 i 9.0. Els valors d'EC50 determinats per l'As(V) disminueixen, reflectint un augment de la toxicitat, a mesura que el pH de la solució augmenta mentre que, en el cas de l'As(III), els valors d'EC50 quasi bé no varien entre pH 6.0 i 8.0 i només disminueixen a pH 9.0. HAsO42- i H2AsO3- es varen definir com les espècies més tòxiques. Així mateix, una anàlisi estadística va revelar un efecte antagònic entre les espècies químiques d'arsenat que es troben conjuntament a pH 6.0 i 7.0.D'altra banda, els resultats de dos mètodes estadístics per predir la toxicitat i les possibles interaccions entre el Co(II), Cd(II), Cu(II), Zn(II) i Pb(II) en mescles binàries equitòxiques es varen comparar amb la toxicitat observada sobre el bacteri Vibrio fischeri. L'efecte combinat d'aquests metalls va resultar ser antagònic per les mescles de Co(II)-Cd(II), Cd(II)-Zn(II), Cd(II)-Pb(II) i Cu(II)-Pb(II), sinèrgic per Co(II)-Cu(II) i Zn(II)-Pb(II) i additiu en els altres casos, revelant un patró complex de possibles interaccions. L'efecte sinèrgic de la combinació Co(II)-Cu(II) i la forta disminució de la toxicitat del Pb(II) quan es troba en presència de Cd(II) hauria de merèixer més atenció quan s'estableixen les normatives de seguretat ambiental.La sensibilitat de l'assaig Microtox també va ser determinada. Els valors d'EC20, els quals representen la toxicitat llindar mesurable, varen ser determinats per cada element individualment i es va veure que augmenten de la següent manera: Pb(II) < Ag(I) < Hg(II) &#61627; Cu(II) < Zn(II) < As(V) < Cd(II) &#61627; Co(II) < As(III) < Cr(VI). Aquests valors es varen comparar amb les concentracions permeses en aigues residuals industrials establertes per la normativa oficial de Catalunya (Espanya). L'assaig Microtox va resultar ser suficientment sensible per detectar els elements assajats respecte a les normes oficials referents al control de la contaminació, excepte en el cas del cadmi, mercuri, arsenat, arsenit i cromat. En la segona part d'aquest treball, com a resultats complementaris dels resultats previs obtinguts utilitzant l'assaig de toxicitat aguda Microtox, els efectes crònics del Cd(II), Cr(VI) i As(V) es varen analitzar sobre la taxa de creixement i la viabilitat en el mateix model biològic. Sorprenentment, aquests productes químics nocius varen resultar ser poc tòxics per aquest bacteri quan es mesura el seu efecte després de temps d'exposició llargs. Tot i això, en el cas del Cr(VI), l'assaig d'inhibició de la viabilitat va resultar ser més sensible que l'assaig de toxicitat aguda Microtox. Així mateix, també va ser possible observar un clar fenomen d'hormesis, especialment en el cas del Cd(II), quan s'utilitza l'assaig d'inhibició de la viabilitat. A més a més, diversos experiments es varen portar a terme per intentar explicar la manca de toxicitat de Cr(VI) mostrada pel bacteri Vibrio fischeri. La resistència mostrada per aquest bacteri podria ser atribuïda a la capacitat d'aquest bacteri de convertir el Cr(VI) a la forma menys tòxica de Cr(III). Es va trobar que aquesta capacitat de reducció depèn de la composició del medi de cultiu, de la concentració inicial de Cr(VI), del temps d'incubació i de la presència d'una font de carboni. En la tercera part d'aquest treball, la línia cel·lular humana HT29 i cultius primaris de cèl·lules sanguínies de Sparus sarba es varen utilitzar in vitro per detectar la toxicitat llindar de metalls mesurant la sobreexpressió de proteines d'estrès. Extractes de fangs precedents de diverses plantes de tractament d'aigues residuals i diferents metalls, individualment o en combinació, es varen analitzar sobre cultius cel·lulars humans per avaluar el seu efecte sobre la taxa de creixement i la capacitat d'induir la síntesi de les proteïnes Hsp72 relacionades amb l'estrès cel·lular. No es varen trobar efectes adversos significatius quan els components s'analitzen individualment. Nogensmenys, quan es troben conjuntament, es produeix un afecte advers sobre tan la taxa de creixement com en l'expressió de proteins d'estrès. D'altra banda, cèl·lules sanguínies procedents de Sparus sarba es varen exposar in vitro a diferents concentracions de cadmi, plom i crom. La proteïna d'estrès HSP70 es va sobreexpressar significativament després de l'exposició a concentracions tan febles com 0.1 &#61549;M. Sota les nostres condicions de treball, no es va evidenciar una sobreexpressió de metal·lotioneïnes. Nogensmenys, les cèl·lules sanguínies de peix varen resultar ser un model biològic interessant per a ser utilitzat en anàlisis de toxicitat. Ambdós models biològics varen resultar ser molt adequats per a detectar acuradament la toxicitat produïda per metalls. En general, l'avaluació de la toxicitat basada en l'anàlisi de la sobreexpressió de proteïnes d'estrès és més sensible que l'avaluació de la toxicitat realitzada a nivell d'organisme.A partir dels resultats obtinguts, podem concloure que una bateria de bioassaigs és realment necessària per avaluar acuradament la toxicitat de metalls ja que existeixen grans variacions entre els valors de toxicitat obtinguts emprant diferents organismes i molts factors ambientals poden influir i modificar els resultats obtinguts. / In this study, the toxicity of some metals and arsenic was investigated using three different biological models. In the first part of this work, the Microtox® bioassay, which is based on variation in light emission by Vibrio fischeri luminescent bacteria, was used to establish dose-response curves for several toxic elements, namely, Zn(II), Pb(II), Cu(II), Hg(II), Ag(I), Co(II), Cd(II), Cr(VI), As(V), and As(III), in aqueous solutions. Experiments were carried out at either pH 6.0 or pH 7.0 to indicate that pH may influence the measured toxicity of some elements due to pH-related changes in their chemical speciation. Different types of dose-response curves were found depending on the analyzed metal and pH. In the case of arsenic, effect of pH on either arsenate or arsenite toxicity, was investigated using the Microtox® bioassay within a 5.0 - 9.0 pH range. EC50 values for As(V) were found to decrease, reflecting an increase in toxicity, as pH became basic, whereas in the case of As(III), EC50 values were almost unchanged within a 6.0 - 8.0 pH range and lowered at pH 9.0 only. HAsO42- and H2AsO3- were found to be the most toxic species. A statistical approach revealed an antagonistic effect between the arsenate chemical species found in combination at pH 6.0 or 7.0.On the other hand, results from two mathematical approaches to predict the toxicity of all the possible binary equitoxic mixtures of Co(II), Cd(II), Cu(II), Zn(II), and Pb(II) were compared to the observed toxicity of these mixtures to Vibrio fischeri bacteria. Combined effect of the metals was found to be antagonistic for Co(II)-Cd(II), Cd(II)-Zn(II), Cd(II)-Pb(II), and Cu(II)-Pb(II), synergistic for Co(II)-Cu(II) and Zn(II)-Pb(II) and merely additive in other cases, revealing a complex pattern of possible interactions. The synergistic effect of the Co(II)-Cu(II) combination and the strong decrease of Pb(II) toxicity when in the presence of Cd(II) should deserve much attention when establishing environmental safety regulations. Microtox bioassay sensitivity was also analyzed. EC20 values, which represent a measurable threshold of toxicity, were determined for each element individually and were found to rank as Pb(II) < Ag(I) < Hg(II) &#61627; Cu(II) < Zn(II) < As(V) < Cd(II) &#61627; Co(II) < As(III) < Cr(VI). These values were compared to the concentration levels allowed in industrial wastewater according to the official regulations in Catalonia (Spain). It appears that the Microtox® test is sensitive enough to detect the tested elements with respect to official regulations dealing with pollution control, with the exception of cadmium, mercury, arsenate, arsenite and chromate.In the second part of this work, as a complement to previous results obtained using the standard Microtox® acute toxicity test, the long-term effects of Cd(II), Cr(VI), and As(V) were studied on growth rate and viability of the same biological model. Surprisingly, these poisonous chemicals were found not to be very toxic to these bacteria when measuring their effect on viability or growth after long periods of exposure. Nevertheless, in the case of Cr(VI), the inhibition viability assay resulted to be more sensitive than the Microtox acute toxicity test was. Interestingly, it was possible to observe a clear hormesis phenomenon, especially for Cd(II), under the conditions of the viability assay. In addition, several experiments were performed as an attempt to explain the lack of Cr(VI) toxicity shown by Vibrio fischeri bacteria. The resistance shown by Vibrio fischeri bacteria could be attributed to the capacity of the bacteria to convert Cr(VI) ions into less toxic Cr(III) ions. This capacity of reduction was found to depend on culture medium composition, initial concentration of chromium, incubation time, and the presence of a carbon source. In the third part of this work, the HT29 human cell line and primary cultures of Sparus sarba blood cells were used in vitro to detect metal toxicity thresholds by measuring the overexpression of stress proteins. Sludge extracts from several wastewater treatment plants and metals, individually or in combination, were tested on human cultured cells for evaluating their ability to affect the growth rate and trigger a synthesis of the stress-related HSP72i proteins. No significant adverse effects were found when given individually. When given in combination, they were however found to affect both cell growth and stress proteins expression. On the other hand, blood cells freshly collected from Sparus sarba were exposed in vitro to different concentrations of cadmium, lead or chromium(VI). HSP70 stress protein was significantly overexpressed after exposure to a metal concentration as low as 0.1 µM. Under our experimental conditions, no overexpression of metallothioneins was evidenced. Nevertheless, fish blood cells appear as an interesting biological model for experimental toxicology.Both biological models were found convenient to detect toxicity produced by metals. In general, evaluation of toxicity based on stress proteins overexpression was found to be more sensitive than evaluation of toxicity performed at the organism level.Based on the results, it can be concluded that a battery of bioassays is necessary to accurately evaluate toxicity of metals since important variations between different organisms can be found and a lot of environmental factors may influence as well as modify the obtained results.

El fang biològic es produeix en les plantes de tractament d'aigües residuals urbanes i industrials. El tractament i la gestió dels fangs és un dels problemes més importants en el camp del tractament de les aigües residuals. Aquesta situació es preveu que es veurà agreujada en el futur, per un increment del volum de fang produït associat a l'exigència de nivells més alts de depuració i per l'augment dels nombre d'estacions depuradores en funcionament. D'altre banda, les limitacions que presenten les opcions tradicionals de gestió dels fangs, fa necessari buscar solucions innovadores i efectives per a solucionar el problema que suposa la gestió d'aquests fangs biològics. Els fangs biològics són de naturalesa carbonosa i amb un alt contingut de matèria orgànica. Aquestes característiques, permeten la conversió del fang en un sòlid adsorbent de tipus carbonós. Aquesta conversió ofereix el doble benefici de reduir el volum de fang que ha de ser gestionat i alhora produir un adsorbent amb un cost inferior a la dels adsorbents convencionals (carbons actius comercials).Fins el moment, els tractaments alta temperatura han demostrat la seva efectivitat per du a terme el procés de transformació dels excedents de fang biològic en un sòlid adsorbent carbonós (carbó actiu). Com a alternativa a aquests processos a alta temperatura, es proposa un nou procés d'obtenció d'un sòlid adsorbent carbonós a partir dels excedents de fangs biològics, mitjançant un tractament a baixa temperatura, combinant el tractament per microones amb l'addició d'un reactiu químic (H2SO4).La present tesi analitza el tractament dels excedents de fangs biològics utilitzant un tractament mitjançant microones i l'addició d'àcid sulfúric (H2SO4), al mateix temps analitza la possibilitat d'utilitzar els sòlids adsorbents obtinguts per a millorar la qualitat de les aigües residuals.Paràmetres d'operació com poden ser la quantitat d'àcid sulfúric addicionada al fang, el nivell de potència del forn microones i el temps de tractament, es modificaran per tal de determinar la influència que poden tenir sobre la qualitat del sòlid adsorbent. Un cop determinada la qualitat dels diferent sòlids adsorbents s'avalua la seva capacitat per a l'eliminació de colorant i metalls en fase líquida. Els resultats obtinguts es comparen amb els obtinguts per un carbó actiu derivat de fangs i un carbó actiu comercial. / The sewage sludge is produced by urban and industrial wastewater treatment plants. The treatment and disposal of sewage sludge is an expensive and environmentally sensitive problem growing world-wide. In recent years, sewage sludge is being generated in ever increasing amounts and meanwhile environmentally quality standards are becoming more stringent. Furthermore, with some traditional disposal routes coming under pressure and others being phased out, it is necessary to seek cost-effective and innovate solutions to the problem incurred by sewage sludge disposal. Sewage sludge is carbonaceous in nature and rich in organic materials. Hence it has the potential to be converted into a useful carbonaceous adsorbent material. This conversion could offer the combined benefits of reducing the volume of sewage sludge and producing a valuable adsorbent with lower cost than commercial activated carbons. At the moment, the high temperature treatments have been show the feasibility of the conversion of sewage sludge in an activated carbon. As alternative to these high temperature treatments, a novel way of carbonaceous adsorbent preparation was attempted combining microwaves heating and the addition of chemical compounds. The possibility of obtaining a carbonaceous adsorbent material from surplus biological sludge has been investigated. This present work analyze the treatment of the sewage sludge using microwave heating and the addition of a chemical reagent (H2SO4), and the applications of the sludge based microwave treated adsorbent to improving the quality of the wastewater.Operational parameters such as the amount of H2SO4 added, the level power of microwave oven and the processing time were modified to ascertain their influence on the quality of carbonaceous adsorbent obtained. Once determined the quality of the different carbonaceous adsorbent obtained, these adsorbents were employed for dye and metal removal in liquid phase. The results obtained were compared with the adsorption capacity of a sludge based activated carbon and a commercial activated carbon.

This doctoral thesis deals with the biogeochemical processes taking place in estuarine systems known as 'rias', located at the NW of the Iberian Peninsula. Its realization has been possible thanks to financial support from the JAE-Program of the Spanish Council for Scientific Research (CSIC) co-funded by the European Social Fund (ESF), and the ‘INTERESANTE' project, funded by the CICYT. Additionally, it is a contribution to the Spanish LOICZ program (Land-Ocean Interactions in the Coastal Zone). An oceanographic characterization of the Northern Galician Rias is presented in Chapter 2. This chapter also involves an extensive analysis of summer upwelling and downwelling processes, winter shelf-water upwelling, and poleward intrusion in the northern Galician shelf. Chapter 3 deals with the fluvial contributions to the Northern Galician Rias, including the quantification of major and minor chemical elements (nutrient salts, trace elements) in the dissolved and particulate matter, chlorophyll-a, DIN, PON, DOC, POC and C/N ratio. In Chapter 4 the sediment-water fluxes of nutrients in a ria coastal systems are discussed. Fluxes driven by molecular diffusion and advective transport across sediment-water interfaces during tidal flooding for the Northern Galician Rias are calculated. Chapter 5 focuses on the hydrological, chemical and biological interactions in the Northern Galician Rias, exemplified by the case of the Ria of Barqueiro, identifying their oceanographic periods in relation to nutrient availability, primary production, phytoplankton biomass, taxonomic composition and hydrographic patterns.

L'activitat humana és una de les majors causes d'elevades concentracions de nutrients i substàncies tòxiques en els ecosistemes fluvials. Entre la gran varietat de factors que alteren aquests ecosistemes, l'eutrofització i la contaminació per metalls pesants són dos dels principals problemes ambientals en països desenvolupats. Els biofilms fluvials (també anomenats comunitats perifítiques) representen una eina valuosa per avaluar els efectes dels contaminants (ex. nutrients i metalls) en els ecosistemes aquàtics. Aquest treball pretén investigar el destí i els efectes del Cu en els ecosistemes fluvials centrant-se en les comunitats perifítiques. Diferents metodologies han estat desenvolupades i/o adaptades per investigar específicament la dinàmica del Cu, la seva toxicitat i bioacumulació en comunitats perifítiques naturals, i la interacció entre l'eutrofització i la toxicitat del Cu en aquests ecosistemes. / Human activity is one of the major causes of elevated concentrations of nutrients and toxic substances in fluvial ecosystems. Among the many ecosystem stressors, eutrophication and metal pollution are two of the major environmental problems in many developed countries. Fluvial biofilms (periphyton communities) are a useful tool for monitoring the effects of pollutants (e.g. nutrients and metals) into aquatic ecosytems. The present study aims to investigate the fate and effects of Cu in fluvial ecosystems focusing on periphyton communities. Different methodologies have been developed and/or adapted to specifically investigate the dynamics of Cu, its toxicity and bioaccumulation on natural periphyton communities, and the interaction between eutrophication and Cu toxicity in these ecosystems.